摘 要: 目前，軌道交通行業(ye) 正在以構建快速、柔性製造模式和開發輕量化、綠色化產(chan) 品為(wei) 目標，積極探索將 3D 打印技術應用於(yu) 產(chan) 品備品備件、車輛鑄件產(chan) 品用鑄型以及複雜高性能結構件的開發和製造過程中。文中分析了主流 3D 打印技術的技術特色和用途，歸納了現階段軌道交通領域 3D打印技術的應用研究工作，並對急需解決(jue) 的關(guan) 鍵問題以及應用前景進行了展望。

inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 美國權威行業(ye) 調研機構 － 技術谘詢服務協會(hui) Wohlers 的最新研究報告指出，全球 3D 打印市場規模依然呈現高速增長的趨勢。從(cong) 專(zhuan) 利申請及分布情況來看，3D 打印的專(zhuan) 利申請量仍逐年上升，3D 打印技術應用範圍不斷擴大。尤其近幾年，3D 打印技術取得了快速發展，具體(ti) 表現為(wei) 各類 3D 打印技術層出不窮，可所用的材料種類越來越多，可成型結構構型越來越複雜，零件的精度水平越來越高。用於(yu) 工業(ye) 產(chan) 品的材料可大致劃分為(wei) 金屬和非金屬 2 大類，3D 打印技術的具體(ti) 細分技術可分別滿足多種類別金屬和非金屬材料的打印，通過新型結構設計技術、材料複合技術、數控加工技術與(yu) 3D 打印技術的有效融合，可以開發出結構部件和功能性部件產(chan) 品，滿足寬幅的應用領域。

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inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 典型的非金屬材料打印技術有選區激光燒結( SLS) 、激光立體(ti) 光固化( SLA) 、樹脂微滴噴射技術( 3DP) 等。選區激光燒結技術多采用尼龍粉末、熱塑性樹脂覆膜砂、PS 粉作為(wei) 原材料來製造尼龍結構件、鑄造用砂型( 芯) 、蠟模等產(chan) 品。激光立體(ti) 光固化技術采用添加光觸媒的液態樹脂作為(wei) 原材料，在特定波長紫外激光的照射下促使光固化反應進行，可製造剛性和軟性的樹脂製件產(chan) 品。樹脂微滴噴射技術多采用預混酸類固化劑的石英砂作為(wei) 原材料，通過陣列噴頭對砂層表麵選區噴射呋喃樹脂來實現砂型的自反應固化。而目前金屬材料 3D 打印技術的常用方式包括激光立體(ti) 成型( LSF) 、選區激光熔化( SLM) 、選區電子束熔化( SEBM) 等方式。激光立體(ti) 成型技術是一種材料的近淨成型技術，打印過程中通過同軸輸送的激光和金屬粉材實現材料的逐點熔化 － 凝固、搭接和疊加，可用於(yu) 打印大型承力結構金屬零部件產(chan) 品，但表麵粗糙度水平較低。選區激光熔化和選區電子束熔化技術多用於(yu) 小型金屬零部件產(chan) 品的打印，產(chan) 品不受形狀自由度約束，表麵粗糙度水平較好( 見圖 1) 。

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inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 2.1 3D 打印在軌道交通運維領域的應用

inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 2015 年，德國聯邦鐵路與(yu) SIEMENS、Concept Laser、Materialize、EOS、Stratasys、Autodesk 成立了德國鐵路的移動增材製造網絡，在行業(ye) 內(nei) 首次將 3D打印技術製造的備品備件應用於(yu) 軌道車輛的運營維護當中，目前打印的備件包括塑料零件( 接線盒、開關(guan) 箱、搖杆等) 和金屬零件( 砂箱、軸承蓋等) 。為(wei) 發揮 3D 打印的自由成型優(you) 勢，德國聯邦鐵路對部分零部件的設計進行了改進，如列車軸承蓋備件通過內(nei) 部中空結構設計，優(you) 化了部件的抗振動性能和耐磨性能，應用於(yu) 電機部件維保中。通過分布式的 3D打印製造網絡，用戶可以根據零部件的更換需求開展就近、快速製造，極大地減輕了倉(cang) 儲(chu) 、物流壓力。

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inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 國內(nei) ，中車株洲電力機車有限公司也聯合軌道交通產(chan) 品產(chan) 業(ye) 鏈中的 12 家企業(ye) 組建了“國家先進軌道交通裝備製造業(ye) 創新中心”，對國內(nei) 軌道交通裝備 維 保 領 域 的 3D 打印技術進行研究和產(chan) 業(ye) 孵化。

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inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 2.2 3D 打印在軌道交通鑄件開發和製造中的應用

inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 現階段，軌道交通車輛包含有大量的金屬材質零部件產(chan) 品，鑄造是其中主要成型方式之一，如鉤緩、製動、齒輪傳(chuan) 動等多采用鑄鋼、鑄鋁、鑄鐵材質。在鑄件新品開發和小批量試製過程中，采用 3D 打印技術來製造鑄型可以有效節省模具開發時間和研發成本，因此獲得了大量應用。目前，中車戚墅堰所、中車齊齊哈爾公司、長江公司等產(chan) 品研發和生產(chan) 單位均建立起了相關(guan) 技術儲(chu) 備，並在深入開展產(chan) 業(ye) 化拓展工作。其中，中車戚墅堰所在技術儲(chu) 備的基礎上成立了快速製造工程化示範中心，采用 SLS 砂型打印技術、SLA 高分子剛性模具打印技術和數控加工技術的組合模式，可以實現覆膜砂型( 芯) 、蠟 模、模具的多品種小批量生產(chan) 能力，常態服務於(yu) 軌道交通鑄件的開發和生產(chan) 中，並將砂型鏤空設計、自體(ti) 支撐、梯度打印等專(zhuan) 有技術進一步深化，已拓展至汽車零部件等新產(chan) 業(ye) 服務領域。圖 2 分別為(wei) 中車長江公司和中車戚墅堰所采用 3D 打印製造的軌道交通零部件砂型( 芯) 及模具產(chan) 品。

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inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 2.3 金屬 3D 打印技術在軌道交通產(chan) 品應用的探索

inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 不同於(yu) 傳(chuan) 統金屬鑄造過程中的宏觀凝固過程，金屬 3D 打印技術具備微區熔池的快速熔化 － 凝固特點，產(chan) 品微觀晶粒細小均勻、溶質偏析傾(qing) 向小，輔助采用遠離平衡態的溫場控製技術、支撐設計技術、合金化匹配技術等，可實現高性能金屬零部件的直接成型，產(chan) 品精度、複雜程度、力學性能遠高於(yu) 鑄件產(chan) 品，如國內(nei) 西北工業(ye) 大學、西安鉑力特公司開發的C919 大飛機中央翼緣條產(chan) 品的綜合性能測試已達到鍛件水平，高於(yu) 波音公司產(chan) 品標準。國內(nei) 軌道交通裝備製造企業(ye) 已開始認知到金屬 3D 打印技術的特殊優(you) 勢並開展相關(guan) 應用技術研究，中車株洲電力機車研究所采用英國 Ｒenishaw 的選區激光熔化設備已經成功打印了機車高壓接地開關(guan) 傳(chuan) 動件( 見圖3) 。這種傳(chuan) 動件最早采用 316L 不鏽鋼材質的傳(chuan) 動杆與(yu) 傳(chuan) 動盤經鉚接或電阻焊連接製成，結合部位強度低，經常由於(yu) 扭轉應力的作用在服役過程中脫落。采用 SLM 金屬 3D 打印技術一體(ti) 化成型後，傳(chuan) 動杆與(yu) 傳(chuan) 動盤冶金結合強度大大提高，抗壓性能較原件提高了 25% ～ 75% ，力學性能也優(you) 於(yu) 不鏽鋼鍛件水平，並且零件各方向上的尺寸精度均小於(yu) 0． 1 mm，滿足使用要求。這說明金屬 3D 打印技術在解決(jue) 軌道交通異形件、複雜件以及連接件一體(ti) 成型方麵具有較大的應用潛力。

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inkMacSystemFont, " font-size:17px;text-align:justify;text-indent:0px;background-color:#ffffff;"=""> 目前，結合 3D 打印技術本身的發展現狀和軌道交通裝備的現實需求，各裝備製造企業(ye) 已開始孵化應用方式多元化、服務模式多方位的發展格局，但基於(yu) 技術本身的深入研究尚在探索之中。未來，隨著原材料種類、設計拓撲優(you) 化、檢測驗證體(ti) 係的進一步發展，3D 打印技術將會(hui) 發展成為(wei) 軌道交通裝備設計、開發、製造過程中的主要載體(ti) 之一，來有效補充傳(chuan) 統鑄造、焊接、鍛壓技術的發展瓶頸，實現軌道交通輕量化、綠色化、智能化的遠景目標。

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參考文獻: ［1］李壯，閆亞(ya) 飛，陳小莉，等． 3D 打印技術專(zhuan) 利發展態勢分析［J］． 科學觀察，2016( 3) : 44 － 54．

［2］馬明明，譚邁之，孫德祥，等． 激光選區熔化成形高壓接地開關(guan) 傳(chuan) 動件工藝與(yu) 性能研究［J］． 電力機車與(yu) 城軌車輛，2018，1( 41) :76 － 80

作者：曹 金，祝弘濱，鮑 飛，劉 昱

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